摘  要：提出了一种新的DC/AC功率传输电路拓扑结构，用逐个脉冲磁复位技术，使高频变压器能够承受经过低频AC或音频信号调制的高频SPWM脉冲列，完成低频电功率的传递任务。试验及仿真结果证明了其可行性。

关键词： 高频变压器  传递  低频功率

1  引  言

高频开关技术的发展，使工频变压器从许多领域中退了出来，但是在需要隔离的UPS不间断电源、数码线性功率放大器、要求输出低频正弦波的 DC/AC变换器等许多领域中，为了隔离或变换电压的需要，以至不得不保留了低频变压器。

  为了克服低频变压器笨重、体积大等缺点，随着高频开关技术的不断成熟，去掉低频变压器成为可能。图1所示为一种比较典型的电路结构。

图1  典型高频逆变电路结构

由图1可知，该电路结构中两次使用了逆变器，一次是为了获得高频，以便利用高频变压器进行变压和隔离，第二次是为了获得工频正弦交流电压。由于需要多用一级功率逆变器，因此增加了功率损耗。本文提出了一种新型的用高频变压器传递低频功率的方法，可以直接利用高频变压器同时完成变压、隔离、传递功率的任务，不需要增加一级功率逆变器。从而简化结构，减小体积和重量，提高效率，为实现电力电子设备的高频、高效、高功率密度创造了条件。该电路结构如图2所示。

图2  带逐个脉冲磁复位的

逆变器电路结构

2  电路工作原理

2. 1  系统组成

图 3  系统组成框图

如图3所示，该系统由双组合式单端反激变换器、双向高频整流器、高频滤波和控制部分组成。双组合式单端反激变换器其实质为共用一个变压器铁芯和副边的两个单端反激变换器。两个单端反激变换器在控制信号 的正负半周分别受 、 的控制斩波工作，完成变压、隔离、传递功率的任务；双向高频整流器用两个场效应管代替一般的反激变换器中副边的二极管。两个场效应管分别受 、 的控制在低频信号的正负半周分时导通，并相互与对方体内的寄生二极管构成通路实现双向高频整流；双向高频整流后得到一列双向脉冲，该列脉冲的包络线与控制信号 波形相似，频率相同，幅度不同。经高频滤波后，得到与 同频率的输出电压；控制部分产生与低频控制信号 同频率的相位互差 的双列单极性SPWM高频脉冲 、 和双列低频开关脉冲 、 ，分别控制双组合式单端反激变换器和双向高频整流器。并通过输出电压实时反馈方式，改变SPWM高频脉冲列的调幅深度 来实现变换器对输出电压的调节。

2. 2  控制部分工作原理

图4  控制原理框图及各点电压波形图

控制原理框图及各点电压波形如图4所示。 为待传递放大的低频调制信号（如50Hz正弦波信号）， 为单极性等腰三角形高频载波信号（如20KHz高频三角波）。为实现 各点波形，采用以下控制策略：①把低频调制信号 与高频载波三角波信号 相比较，得到与 同频率的单极性SPWM信号 ；②把低频调制信号 经过零比较器比较，得到与 同频率的低频开关脉冲信号 ；③把低频信号 反相得到与 同频率的调制信号 ，再用 与载波信号 相比较，得到与 同频率的相位差 的单极性SPWM信号 ；④把调制信号 经过零比较器比较，得到与 同频率的相位差 的低频开关脉冲信号 。

2. 3  主电路拓扑

图5  带能量归还绕组的单端反激变换器

   图5所示为传统的带能量归还绕组的单端反激变换器，能量归还绕组 的匝数等于绕组 的匝数。当场效应管M导通时， 反向阻断，变压器储能。在M关断时， 导通，变压器铁芯的储能向负载 及滤波电容 输出； 导通， 作为能量归还绕组将变换器的漏感储能回馈到电源 中，并箝位M上的 为 。

图6所示为 新型DC/AC功率传输电路拓扑结构。 、 、 组成一单端反激变换器，它与由 、 、 组成的另一单端反激变换器构成双组合式单端反激变换器，并在控制信号周期的正负半周受 、 高频SPWM脉冲的控制分别斩波导通。 、 组成双向高频整流器，在控制信号周期的正负半周分时导通，并相互与对方体内寄生的并联二极管构成整流回路。

图6  新型DC/AC功率传输电路拓扑

?

         (a)                     (b)

图7  在低频AC正半周脉冲序列中

            (a) M1加单个脉冲开通时等效电路图

(b) M1关断时等效电路图

电路处于低频AC正半周时（ 信号波形参见图4）， 无脉冲， 一直处于关断状态， 为高电平，一直处于导通状态。在高频脉冲周期内，当 的脉冲加到 门极上时，其等效电路如图7 (a)所示。变压器原边， 随门极施加的高电平导通，电源U、绕组 和功率开关管 形成回路。而在变换器副边，绕组 的极性为上负下正。 随 的信号而常通。 随 的信号而关断，其体内寄生二极管反向关断。副边没有形成电流回路，无电流流过。变压器处于能量储存阶段。因此，电流 线性增加，直至 ,变压器铁芯储能也增至 （其中 为绕组 的电感量）。

当 随 信号关断时，其等效电路如图7 (b)所示。变压器原边，由于 关断，漏感储能引起较大反压加在 两端，由于 的匝数等于 的匝数，当 时， 的体内寄生二极管 导通,箝位 上的 为2 。 此时作为能量归还绕组与 构成通路，将变压器中的漏感储能回馈到电源 中；变压器副边，绕组 此时的电压极性为上正下负， 、 、 、 、和 的体内寄生二极管 形成回路。此时由 承担高频整流任务，得到一高频直流脉冲，经 滤波后，变压器向负载 输出低频电功率，完成该单个脉冲内变换器的能量传递。

由SPWM调制原理可知，当频率调制比 足够大时，可忽略系统相移，在高频滤波电容 上，得到输出电压 与 同频同相。

2. 4  磁复位技术的要求

在高频变压器原边，当 或 接收SPWM脉冲列导通时，由于调制的频率很低，远远小于高频载波的频率，在低频调制信号的正半周或负半周内，施加在变压器绕组上的是同一方向的电压，变压器磁芯中的磁通将级进地逐渐增加，最终导致磁芯饱和，造成磁偏或单向磁化，导致很大的磁化电流而无法正常工作。本文提出逐个脉冲磁复位技术，就是在每个高频脉冲之后及时采取措施，使每一个高频脉冲引起的磁通增加都回复到零，从而避免磁芯磁通饱和。

图8  三角形法生成SPWM波

三角形法生成单极性SPWM波如图8所示：（以控制信号为低频AC为例）

控制信号电压（调制波） ， ，其中 为控制信号电压的峰值， 为逆变器输出电压要求的基波频率，也为调制频率。 为等腰三角形载波电压， 为载波电压的峰值，载波频率为 ，周期为 。幅度调制比 ，频率调制比 。

当 、 为偶数，且 与 起始相位相等时， 、 的波形有如图8所示的关系，以下就这种情况进行讨论。

从时间 到 是 的第 个载波周期

其中点 

故有等腰三角波 的两段直线方程：

；

  ；  

设 、 与 的交点分别在 和 时：

 …… ⑴

   ……  ⑵

由以上两式可以得到

   ……  ⑶

      ……  ⑷

式中 为断开占空比， 为接通占空比， 为断开时间。

式⑷表明，在幅度调制比 保持恒定时，SPWM高频脉冲的占空比 以基波频率（调制频率）且无相差的按正弦规律变化。欲使磁芯复位，由变压器磁芯的伏秒平衡规律要求有（忽略管压降）：

         ……  ⑸

式中 为加在变压器原边绕组上的输入直流电压， 为变压器副边输出电压。以式⑶、⑷及 代入得

…… ⑹

由式⑷知，当 时，该脉冲具有此SPWM脉冲列中最大的占空比 ，若此时 满足磁复位要求，则该列SPWM脉冲均满足逐个脉冲磁复位要求。因此，由式⑹知当

  …… ⑺

时变压器磁芯就可实现逐个脉冲磁复位。式中 为输出电压的峰值， 为单端反激变换器的电源， 为变压器原边绕组匝数， 为变压器副边绕组匝数。

3  试验及仿真结果

为验证本电路原理，作了以下仿真和试验：输入直流电压36V；输出交流电压24V；变压器变比为1:1；低频信号为50Hz正弦波；载波信号15KHz三角波；幅度调制比 =0.5；功率开关管采用IRF460；开关频率15KHz；输出端高频滤波电容 =5u；负载 = 。

图9、图10为PSPICE仿真结果：

▽        △ 

图9  、 功率管上电压波形

□      ◇ 

图10  、 功率管上电流波形

   此时电路最大占空比为0.5，当 关断， 体内的二极管 开通，与 形成通路，有电流 ，完成漏感储能的回馈，并钳位 至2U。在低频正半周单个高电平脉冲加在场效应管 上时，其电流 从零电流开始上升，且波形平滑，说明变压器铁芯磁通已回复到零，且激磁电流未达到饱和电流。

  按照与仿真相同的参数作试验有图11所示输出电压波形：

图11  实验输出电压波形

4  结  论

   提出了一种新颖的DC/AC功率传输电路拓扑，介绍了它的工作原理，并对高频变压器实现逐个脉冲磁复位的要求进行了数学证明。试验和仿真结果证明这种电路拓扑能较好的完成对低频功率的传递、放大，具有结构简单、体积小、重量轻等优点，可广泛应用于UPS、航空电源、正弦波逆变器、数码线性功率放大器等工程技术领域。

参考文献：

[1]  周代文，候振程. 一种新型不间短电源（UPS）电路的探讨. 电力电子技术，1998（4）：49-59

[2] 熊雅红，陈道炼. 新颖的双向功率流高频环节DC/AC逆变器. 电力电子技术，2000（4）：10-12

[3] 徐德高，金刚.《脉宽调制变换器型稳压电源》. 科学出版社，1983

 

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